¿Cómo es posible que la corriente fluya tan rápido cuando la carga fluye tan lentamente?

Parece que está contrastando la velocidad de propagación de la corriente con la velocidad de los portadores de carga individuales.

Estas dos cosas están claramente separadas. Hay muchos ejemplos. Considere el sonido.

Un petardo estalla en el otro extremo de un campo de fútbol frente a ti. Escuchará el sonido unos 100 ms más tarde. Las moléculas de aire que estaban junto al petardo no terminaron en ti. No viajaron muy lejos en absoluto. Sin embargo, presionaron a sus vecinos, que empujaron a sus vecinos, etc., hasta sus oídos. Este empuje puede propagarse mucho más rápido de lo que pueden moverse las moléculas individuales.

Piensa en un tubo de cartón hueco y largo lleno de bolitas un poco más pequeñas que el diámetro interior del tubo. Todas las bolas se tocan entre sí. Empujas una bola en un extremo y la mueves 1 mm. La bola en el otro extremo luego se mueve 1 mm. Sin embargo, ninguna de las bolas se movió más de 1 mm y lo hicieron tan lentamente como tú empujaste, pero la propagación del empuje fue instantánea en tu escala humana.

Lo que se confunde aquí no es el flujo de "corriente", sino la transmisión de energía .

Los electrones individuales en un cable se mueven muy lentamente, ya que se pueden modelar chocando constantemente con átomos (sí, este es un modelo clásico ingenuo, no cuántico) y rebotando aleatoriamente como un gas (el término "gas de electrones" es real y no es inapropiado en absoluto). La corriente eléctrica es el flujo muy lento de este gas de electrones a través del cable cuando hay un campo eléctrico presente. El término "flujo de corriente" en realidad es engañoso: no existe tal "sustancia" llamada "corriente", la corriente es un flujo. "Flujo de cargas" o más específicamente (en este caso, ¡en otros, puede diferir!) "Flujo de electrones" tiene más sentido. (Después de todo, no hablamos de "actuales"el río", más bien hablamos de " agua que fluye en " el río, y "la corriente" significa el flujo de agua ). Ver:

http://amasci.com/miscon/eleca.html#cflow

Sin embargo, la energía no es transmitida por un electrón que se mueve alrededor del circuito hasta la carga, sino a través de ondas .en los electrones y, lo que es más importante, en el campo eléctrico asociado. Es la misma forma en que la energía mecánica se transmite en, digamos, un poste que se empuja desde un extremo. El polo se comprime ligeramente y aparece una onda de sonido, que inicialmente contiene toda la energía dentro de su "empuje", y luego viaja hacia abajo, distribuyendo progresivamente esa energía entre todos los átomos dentro del polo hasta que todos se mueven en una sola dirección ( aquí imagino el polo empujado en el vacío, como en el espacio interestelar, sin que actúen otras fuerzas). Lo mismo ocurre con los electrones en el circuito, aunque debo señalar que el siguiente modelo es un poco simplista, pero es más para transmitir el punto de cómo se transmite la energía que para detallar el comportamiento real de los electrones. que involucra la mecánica cuántica y está sujeto a muchas de las mismas advertencias que se ven dentro de un átomo o molécula individual. Pero en este sentido amplio, cuando presionas el interruptor, ahora unLa onda electromagnética viaja hacia abajo, poniendo en movimiento a los electrones de adelante y distribuyendo así su energía por todo el circuito. Por supuesto, los átomos del núcleo del metal están relativamente fijos a pesar del movimiento de los electrones, por lo que este último tenderá a perder esa energía al colisionar con ellos, a diferencia del polo donde todos, átomos y electrones juntos, comienzan a ir en sincronía, y por lo tanto tú tiene que seguir suministrándoles energía con una fuente de energía como una batería o un generador que efectivamente sigue "empujando el poste" y, por lo tanto, mantiene la entrada de energía; ahora piense en un poste que ahora no está en el vacío sino en la melaza, y tiene para seguir empujándolo para mantenerlo en movimiento. Esta presión sobre los átomos, por supuesto, es la forma en que los dispositivos eléctricos pueden usar la energía transmitida eléctricamente para realizar tareas útiles.

Las ondas electromagnéticas y las ondas de sonido, por lo tanto , la energía , viajan mucho más rápido que los electrones y los átomos tanto en el circuito como en el polo empujado. La energía es lo que enciende tus bombillas, y la energía es lo que hace que tu computadora funcione. Dado que la energía viaja rápido, estos dispositivos comienzan a funcionar "con solo tocar un interruptor".

Uno necesita distinguir entre dos cosas cuando se trata de electricidad, corrientes eléctricas y voltajes.

1) La corriente eléctrica es el flujo de electrones en alambres metálicos (o en fluidos como electrolitos). Los electrones se mueven en el alambre a la velocidad de deriva

$v=\frac{I}{enA}$

dónde: $I$es la corriente eléctrica;$e$es la carga eléctrica del electrón;$n$es la densidad numérica de electrones en el material metálico del alambre;$A$el área de la sección transversal del alambre.

Dependiendo de los valores de$I$,$n$y$A$, la velocidad$v$tiene un valor típico de varios cms$^{-1}$!

2) Sin embargo, la causa del movimiento de los electrones es el campo eléctrico que estableces en el cable cuando enciendes la luz, por ejemplo, que viaja a lo largo del cable a la velocidad de la luz. A medida que el campo viaja a lo largo del cable tan rápido, pone en movimiento a los electrones a lo largo del cable. Entonces parece como si los electrones se estuvieran moviendo muy rápido, cuando en realidad no es así. Espero que esto aclare el punto que estabas tratando de hacer.

Como habrás notado, la velocidad de deriva de las cargas eléctricas es$\sim {10}^{-5} \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} ,$que es mucho más lento que el flujo de corriente eléctrica.

Entonces, ¿cómo podría la corriente eléctrica viajar cerca de la velocidad de la luz? Es porque el campo eléctrico de las cargas se propaga cerca de la velocidad de la luz.

La corriente se mide en amperios, que son el número de culombios de carga eléctrica que pasan por un área de sección transversal fija por unidad de tiempo. No dice nada sobre la velocidad de los electrones. Por lo general, cuando producimos una corriente con un campo eléctrico en un conductor, es un campo eléctrico estático, por lo que la velocidad de propagación de los cambios en el campo eléctrico no es un problema. Se supone que el campo eléctrico que causa la corriente siempre ha sido (y siempre será) el mismo.

Las partículas cargadas en movimiento dentro de un conductor se mueven constantemente en direcciones aleatorias, como las partículas de un gas. Para que haya un flujo neto de carga, las partículas también deben moverse juntas con una velocidad de deriva promedio. Así se llama la velocidad de deriva. La velocidad de deriva trata de la velocidad promedio que alcanza una partícula, como un electrón, debido a a un campo eléctrico. En general, un electrón se moverá aleatoriamente en un conductor. Los electrones libres en un conductor vibran al azar, pero sin la presencia de un campo eléctrico no hay velocidad neta. Cuando se aplica un voltaje de CC, los electrones aumentarán su velocidad proporcionalmente a la fuerza del campo eléctrico. Estas velocidades son del orden de milímetros por hora. Los voltajes de CA no causan movimiento neto; los electrones oscilan de un lado a otro en respuesta al campo eléctrico alterno Los electrones son los portadores de carga en los metales y siguen un camino aleatorio, rebotando de átomo a átomo, pero generalmente a la deriva en dirección opuesta al campo eléctrico. La velocidad a la que se desplazan se puede calcular a partir de la ecuación: I=nAvQ donde I es la corriente eléctrica n es el número de partículas cargadas por unidad de volumen (o densidad del portador de carga) A es el área de la sección transversal del conductor v es la velocidad de deriva y Q es la carga de cada partícula. De manera similar, cuando hablamos de la velocidad de la electricidad, generalmente hablamos del flujo de la señal, no de la velocidad de los electrones. pero generalmente a la deriva en la dirección opuesta del campo eléctrico. La velocidad a la que se desplazan se puede calcular a partir de la ecuación: I=nAvQ donde I es la corriente eléctrica n es el número de partículas cargadas por unidad de volumen (o densidad del portador de carga) A es el área de la sección transversal del conductor v es la velocidad de deriva y Q es la carga de cada partícula. De manera similar, cuando hablamos de la velocidad de la electricidad, generalmente hablamos del flujo de la señal, no de la velocidad de los electrones. pero generalmente a la deriva en la dirección opuesta del campo eléctrico. La velocidad a la que se desplazan se puede calcular a partir de la ecuación: I=nAvQ donde I es la corriente eléctrica n es el número de partículas cargadas por unidad de volumen (o densidad del portador de carga) A es el área de la sección transversal del conductor v es la velocidad de deriva y Q es la carga de cada partícula. De manera similar, cuando hablamos de la velocidad de la electricidad, generalmente hablamos del flujo de la señal, no de la velocidad de los electrones.